Gloss Measurement

1 Medición de brillo para garantizar la consistencia

Los efectos de brillo se basan en la interacción de la luz con las propiedades físicas de un objeto. Además, el brillo está influenciado por la evaluación fisiológica del observador. La primera impresión de un producto está fuertemente influenciada por la calidad de su superficie. Para muchos productos, un brillo homogéneo y consistente se considera un parámetro de calidad decorativa y está influenciado por muchos parámetros del proceso de producción.
No hay duda de que el ojo humano es, con diferencia, el mejor instrumento óptico para evaluar el brillo. El ojo humano puede diferenciar, sin ningún problema, diferencias de luminosidad entre 1 y 10 millones [1]. Sin embargo, la evaluación de la superficie visual es insuficiente debido a las siguientes variables:

• Condiciones de evaluación no definidas
• El juicio depende del estado de ánimo del observador
• Distintos observadores tienen diferente agudeza visual

Para garantizar una garantía de calidad fiable y práctica, es necesario describir el brillo de las superficies con criterios objetivos y medibles. Los dispositivos de medición de brillo se han utilizado en la industria desde 1930. Los efectos especiales de brillo dieron como resultado el desarrollo de nuevos sistemas de medición con una mejor correlación con la evaluación visual [2, 3, 4].
 

2 Percepción de los distintos niveles de brillo

El brillo y el color son sensaciones visuales que se perciben al evaluar una superficie. Evaluamos la capacidad de una superficie para reflejar la luz incidente en la dirección especular, es decir, se reflejan las fuentes de luz o los objetos. La impresión de brillo está influenciada por los siguientes parámetros (Fig. 1)

2.1 Propiedades de la superficie

• Material (recubrimientos, plástico, metales)
• Topografía de las superficies (lisas, rugosas, estructuradas)
• Grado de transparencia
• Substrato

2.2 Iluminación

Para evaluar el brillo, es necesario tener una iluminación directa. Una iluminación difusa provoca un reflejo difuso que da como resultado una impresión de brillo disminuida.

2.3 Observador

La evaluación visual depende de la agudeza visual (fisiología) y el estado de ánimo del observador (psicología). Evaluamos visualmente una superficie enfocando nuestro ojo en el reflejo de una fuente de luz o en la superficie misma [5]. Ambos tipos de evaluación influyen en la impresión general de brillo:

Al enfocarse en la imagen reflejada de una fuente de luz (Fig. 2), se evalúa la nitidez de la imagen [6]. La imagen reflejada de la fuente de luz puede parecer brillante o apagada (brillo especular). Los contornos de la imagen reflejada pueden ser nítidos o borrosos (claridad de imagen) o un halo puede rodear la imagen reflejada (Velo).
Al centrarnos en la superficie, también obtenemos una impresión del tamaño y la forma de la estructura (Fig. 3). Estas estructuras se pueden ver como un patrón ondulado de áreas claras y oscuras. En la industria, este patrón ondulado a menudo se conoce como piel de naranja.

Imagen 1 Componentes de la percepción del brillo: Fuente de luz, Superficie, Observador

Imagen 2 Foco en la imagen reflejada

Imagen 3 Foco en la superficie

3 Comportamiento de reflexión de las superficies

El brillo es una impresión subjetiva y no una propiedad física de la superficie. La reflexión especular, parte de la impresión de brillo general influenciada por las propiedades de reflexión de la superficie, se puede medir física y objetivamente.

3.1    Alto brillo, superficies lisas

En el caso de superficies planas de alto brillo, la ley de reflexión es válida:
Ángulo de iluminación = Ángulo de reflexión (Fig. 4).
Esos tipos de superficies también se consideran formadores de imágenes, ya que la imagen de un objeto reflejado se puede ver claramente.
La luz se refleja en la primera superficie en la dirección especular de reflexión. La intensidad de la luz reflejada depende del ángulo de iluminación y de las propiedades del material (índice de refracción).
Metales: alta intensidad, fuertemente influenciado por el ángulo
No-Metales: no intensidad, dependiente del ángulo de iluminación y del índice de refracción del material    
En el caso de los no metales, parte de la luz iluminada penetra en el material y se absorbe de forma selectiva o se dispersa de forma difusa en función del color del pigmento. La luz dispersada difusamente sale del material y nos da la impresión de un color específico (Fig. 5). Este componente difuso se distribuye por igual en todas las direcciones espaciales.
 

3.2 Superficies satinadas

En el caso de superficies más rugosas, la luz no sólo se refleja en la dirección de la reflexión especular, sino que también se refleja de forma difusa en otras direcciones (Fig. 6).
La capacidad de una superficie para reflejar un objeto se reduce considerablemente. Cuanto más uniformemente se distribuya la luz en todas las direcciones, menos intenso aparecerá el componente especular y menos brillante se verá la superficie. Se puede observar un efecto especial de las superficies mates, llamado lustre, cuando se mira en ángulos casi rasantes: en un rango de 80° o más, la superficie comienza a verse cada vez más brillante.
 

3.3 Superficie de alto brillo con velo (Velo por reflexión)

Si hay defectos microscópicos en una superficie de alto brillo, habrá algo de luz difusa de baja intensidad junto al reflejo especular (Fig. 7). La mayor parte de la luz se reflejará en la dirección especular, lo que dará como resultado una apariencia de formación de imagen distintiva y de alto brillo que parece estar cubierta con una película nebulosa o lechosa.

3.4 DOI versus Brillo en superficies de alto brillo

Las estructuras finas cercanas a la resolución del ojo humano (aprox. 0,1 mm), es decir, en un rango de unas pocas micras hasta alrededor de 1 mm, influyen en la calidad de formación de la imagen de una superficie. Richard Hunter [2] llamó a este tipo de brillo Distinción de la imagen (DOI), su impacto en la percepción visual se puede describir como nitidez de los bordes reflejados. La medición del brillo especular depende de la intensidad de la luz reflejada y el índice de refracción del material, mientras que el DOI es una medida relativa y se correlaciona mejor con el brillo percibido de los acabados de alto brillo. 

Imagen 4 Reflexión especular en la 1 superficie

Imagen 5 Reflexión difusa desde el propio material

Imagen 6 Satinada – Dispersión difusa desde la superficie

Imagen 7 Velo por reflexión

4 Brillómetro

4.1 Principios de medida 

El principio de un medidor de brillo se basa en la medición del componente especular de la luz reflejada (Fig. 8). La intensidad de la luz reflejada se mide en un rango de ángulo específico que está limitado por una apertura "AP".
La fuente de luz ilumina la superficie al pasar a través de otra abertura "AP1" (Fig. 9). Un detector foto electrónico mide la luz que pasa a través de la apertura "AP2".
La medida del valor del brillo es una medida relativa. Los resultados de la medición están relacionados con un estándar de vidrio negro muy pulido con un índice de refracción definido de 1,567. Este estándar de vidrio negro tiene un valor de brillo especular asignado de 100 (calibración).
Para obtener resultados comparables, el dispositivo de medición y la operación se definieron en especificaciones internacionales: ISO 2813, ASTM D523, JIS Z 8741 y DIN 67530 [7, 8, 9, 10].
Las especificaciones definen los siguientes parámetros:
 

• Condiciones geométricas (ángulo de iluminación y reflexión, apertura por ángulo, Fuente de luz y detector sensibilidad)
• Procedimiento de calibración
• Procedimiento de medida
• Aplicaciones y limitaciones (superficies curvas)

4.2 ¿Cuándo usar los distintos tipos de geometría?

El ángulo de iluminación influye mucho en los resultados de la medición. En el caso de revestimientos, plásticos y productos afines, parte de la luz iluminada se refleja en la primera superficie y una parte penetra en el material. Cuanto mayor sea el ángulo de iluminación, mayor será la cantidad de luz reflejada. Para obtener una buena diferenciación de toda la gama de superficies de alto a bajo brillo, tres ángulos de iluminación diferentes, -es decir, Se definieron tres rangos de medición diferentes (Fig. 10):

• 20°   Superficies de alto brillo
• 60°   Superficies satinadas
• 85°   Superficies de bajo brillo

Para obtener una diferenciación clara en todo el rango de medición, desde alto brillo hasta mate, se estandarizan tres geometrías, es decir, tres rangos diferentes. Es posible que una sola geometría de medición, como 60°, no proporcione lecturas de brillo del instrumento que se correlacionen bien con la observación visual cuando se comparan diferentes niveles de brillo. Por lo tanto, los estándares internacionales prevén la medición en diferentes ángulos de incidencia. La elección de la geometría depende de si se está realizando una evaluación general del brillo, comparando acabados de alto brillo o evaluando muestras de bajo brillo. La geometría de 60° se usa para comparar la mayoría de las muestras y para determinar cuándo la geometría de 20° u 85° puede ser más aplicable. La geometría de 20° es ventajosa para comparar especímenes que tienen valores de brillo de 60° superiores a 70. La geometría de 85° se usa para comparar especímenes con brillo casi rasante. Se aplica con mayor frecuencia cuando las muestras tienen valores de brillo a 60° inferiores a 10.

En un estudio de caso, se clasificaron visualmente 13 muestras de mate a alto brillo y se midieron con las tres geometrías especificadas. En la pendiente pronunciada de las curvas, las diferencias entre las muestras se pueden medir claramente, mientras que en la parte plana la geometría de medición ya no se correlaciona con la percepción visual (Fig. 11).

Además, en la industria se establecieron geometrías especificas:
 

• 45° Cerámica, plástico y films (ASTM C346, -D2457, JIS Z8741)
• 75° Revestimientos vinílicos e industria del papel (ASTM D2457, - D3679, JIS Z8741, Tappi T480)

Imagen 8 Medición del componente especular

Imagen 9 Principio de medida de un brillómetro

Imagen 10 Standardized geometric conditions

Imagen 11 Specular gloss values dependent on measuring angle

5 Medición de brillo en aplicaciones especiales

5.1 Medición de brillo en film de plástico o láminas

Además de la transparencia, las películas de alta calidad requieren propiedades de reflexión definidas, independientemente de si se trata de envases brillantes o películas antirreflejos para uso en LCD. El método estandarizado internacionalmente para medir el brillo ilumina la muestra bajo un ángulo definido y detecta la intensidad de la luz reflejada. En materiales transparentes, una parte de la luz de iluminación penetra en la superficie. La luz transmitida se refleja en la superficie trasera dentro del material y se transmite parcialmente en la dirección del sensor (Fig. 12).
Esta reflexión adicional depende del fondo utilizado y tiene un impacto significativo en la medición. Para minimizar esta influencia, se recomienda utilizar un fondo negro mate, p. cartulina, y es importante utilizar siempre el mismo fondo. Es un desafío adicional cuando las muestras son muy delgadas y no forman una superficie realmente plana debajo del medidor de brillo. Por lo tanto, a menudo se usa una placa de vacío para asegurarse de que no haya burbujas de aire o arrugas que distorsionen los resultados de brillo medidos.
 

5.2 Medición del brillo en acabados mates o estructurados

El diseño interior de automóviles está adquiriendo cada vez más importancia en la decisión de compra. Un gran desafío es lograr una “sensación” de alto valor y al mismo tiempo minimizar el costo. Por lo tanto, se utiliza una variedad de materiales y es necesario armonizarlos. Como punto de partida, las placas estándar patrones se fabrican normalmente con una superficie plana y varias áreas granuladas. Estos se envían a los proveedores como objetivo para las piezas de producción reales. Para garantizar un aspecto uniforme entre los diversos materiales, se especifican tolerancias muy estrictas. En lugar de trabajar con números de brillo absolutos, el control de calidad de la producción del proveedor debe basarse en la parte aprobada y solo se verifican las diferencias. Este procedimiento elimina el error de reproducibilidad ya que el brillo se mide relativamente en el mismo tipo de material y la misma superficie. Por lo tanto, una diferencia de 0,3 unidades de brillo de una pieza a otra puede considerarse una diferencia significativa.

Tolerancias típicas:  Brillo a 60°: < 5 GU +/- 0.3 hasta 0.5

Los Brillómetros S de BYK-Gardner con un rendimiento técnico mejorado para un brillo de 60° en el rango de bajo brillo (0-20 GU) permiten un control de calidad fiable con especificaciones tan exigentes. La excelente repetibilidad de +/-0,1 puede garantizarse gracias a nuestro procedimiento de calibración patentado y la excelente estabilidad de temperatura de los resultados de medición.
 

5.3 Medición de brillo en grandes superficies

En productos con grandes superficies, la homogeneidad es una importante característica de calidad. Las aplicaciones típicas son para evaluar la variación del brillo en revestimientos de vinilo o laminados para pisos. Por lo tanto, el brillómetro BYK-Gardner ofrece el llamado modo continuo. Este modo permite realizar mediciones continuas con un intervalo de tiempo definible por el usuario. mientras la unidad se mueve sobre el área de medición. El usuario puede ver directamente en la pantalla el valor de brillo de cada lectura. Después de haber escaneado el área de la superficie, el micro-gloss ofrece estadísticas como valores promedio y mínimo/máximo que se pueden usar para definir la uniformidad del brillo.

Imagen 12 Multi-reflexión en el interior de un material transparente o translucido sobre un fondo estandarizado

6 Limitaciones en la medición del brillo

6.1 Brillo en superficies curvas

Los medidores de brillo clásicos están destinados básicamente a la medición en superficies planas. Las curvaturas convexas o cóncavas cambian la dirección de reflexión de manera similar a las lentes o espejos ópticos [Fig. 13] y así falsean el resultado de la medición del brillo. Algunos productos tienen una curvatura tan pequeña que es posible realizar mediciones comparativas con una tolerancia adecuada. Las investigaciones en este sentido ya se llevaron a cabo en la década de los 70, donde las desviaciones se mantuvieron por debajo de aproximadamente el 5% para radios de más de aprox. 50 - 80cm [11]. Por supuesto, estas desviaciones dependen sobre todo del material, el nivel de brillo y la geometría; cuanto mayor sea el nivel de brillo, mayor será el efecto de la curvatura. La inclinación también es un factor importante, por lo que se recomienda el uso de un dispositivo de posicionamiento

6.2 Superficies estructuradas

La reflectividad y el brillo se basan en la interacción de la luz con las propiedades físicas de la superficie de la muestra. La intensidad depende del material y del ángulo de iluminación. Los resultados de la medición de un brillómetro convencional están relacionados con la cantidad de luz reflejada de un estándar de vidrio negro con un índice de refracción definido. El medidor de brillo clásico no incluye los efectos de la estructura o el comportamiento complejo del brillo de las superficies 3D.
El nuevo spectro2profiler emplea una técnica estéreo fotométrica para estimar las superficies normales para calcular una topografía 3D de la superficie. Las normales de superficie se calculan observando la superficie con diferentes direcciones de iluminación. Usando la forma del sombreado, se estima la curvatura de la superficie y se puede calcular el mapa de altura del objeto. El resultado es una topografía 3D real de la superficie del objeto medido.
 

6.3 6.3    Variaciones de brillo espacial

Las sombras proyectadas y las áreas que son invisibles para el detector de medición pueden falsear el resultado de la medición del brillo especular. Además, la percepción del brillo no solo depende del brillo especular, sino también del contraste observado entre los reflejos especulares y las áreas superficiales de reflexión difusa. Un medidor de brillo convencional no es capaz de capturar un comportamiento reflectante más complejo, como los reflejos distribuidos espacialmente, picos reflectantes junto a valles de baja reflexión que se producen en estructuras similares al cuero.
El nuevo spectro2profiler ofrece una tecnología basada en cámaras para capturar la distribución espacial de la reflectividad. Una configuración de iluminación en línea elimina las sombras proyectadas, las áreas invisibles y las distorsiones de perspectiva para que la medición sea independiente de la orientación (Fig. 14). La cámara adquiere imágenes de reflectividad 2D, lo que permite un análisis más detallado de las distribuciones de reflectividad de una superficie.
Para evaluar la apariencia general de un objeto, es necesario medir la estructura de la superficie y la reflectividad en paralelo, ya que son mutuamente interdependientes, pero se combinan para una evaluación visual general. Debido a que nuestros ojos solo son capaces de adquirir información en 2D, el sistema visual humano reconstruye la información en 3D de los objetos en nuestro cerebro usando sombras y reflejos. Eso significa que la profundidad percibida de una estructura depende del comportamiento de reflexión en las colinas y valles. Dado que el spectro2profiler utiliza el mismo sistema de cámara y lente para la adquisición de topografía 3D y datos de reflectividad 2D, es posible combinar los datos de ambos principios de medición. Así, se puede separar el reflejo de picos y valles. La diferencia entre reflejo de picos y valles, describe el contraste y la profundidad percibida de una superficie estructurada.
 

Imagen 13 Distribución de la luz por la curvatura

Imagen 14 Configuración de medición de reflectividad espacial

7 Resumen

La impresión visual del brillo es como el color, un parámetro multidimensional. Durante muchos años, los brillómetros se han utilizado para medir la reflexión especular en aplicaciones de laboratorio y control de calidad. Para caracterizar la impresión visual completa del brillo, es necesario medir parámetros de brillo adicionales como el velo y la piel de naranja. BYK-Gardner ofrece una línea completa de dispositivos de medición de apariencia para determinar objetivamente el brillo especular, el velo y la piel de naranja que están diseñados para aplicaciones tanto en el laboratorio como en el campo.